穩(wěn)定、成熟、安全的電氣自動化系統(tǒng)是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)以及深度管理的物質(zhì)基礎(chǔ)。一套完整的工作設(shè)計流程對一家氣化公司至關(guān)重要。本文通過對汽車輪轂輸送線的電氣設(shè)計流程和細(xì)節(jié)進(jìn)行剖析和總結(jié)，對電氣控制系統(tǒng)的元件選型進(jìn)行詳細(xì)分析，對電氣原理圖和可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）程序的設(shè)計進(jìn)行了簡單闡述，對現(xiàn)場安裝接線和調(diào)試進(jìn)行了簡單總結(jié)。

1 工作流程

圖1所示為完整的汽車輪轂輸送系統(tǒng)，其控制要求如下：

• 1）總系統(tǒng)分部。包括送料線、升降機(jī)、出料線。
• 2）控制面板。包括蜂鳴1個，急停1個、總電源按扭1個加白色指示燈、啟動按扭、停止按扭、三色報警燈。
• 3）動作說明：①當(dāng)起動時且傳感器1至傳感器4沒有檢測到物料時，電動機(jī)1至電動機(jī)4聯(lián)動；②當(dāng)且傳感器4檢測到物料時，電動機(jī)4（升降機(jī)處上位），載料等待，電動機(jī)3運(yùn)行至傳感器2檢測到時才停止，電動機(jī)1和電動機(jī)2接收傳感器1信號停止；③ 傳感器5檢測到物料，電動機(jī)5運(yùn)行5～12s再停止；④ 電動機(jī)6一直保持常動。

下面將整個汽車輪轂輸送線電氣設(shè)計流程進(jìn)行詳細(xì)說明。

2 電氣件選型

1）PLC

一般來說西門子、三菱、AB、歐姆龍是企業(yè)的首選品牌，幾大品牌的相關(guān)產(chǎn)品在大型、中型、小型的各個應(yīng)用層面占據(jù)著絕對優(yōu)勢。

西門子PLC性能強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)，通信能力強(qiáng)大，可以集成更多的智能模塊，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件。常用于大型和復(fù)雜的自動化控制。常用型號如S7-200 smart，S7-200和S7-1500等。

圖1 汽車輪轂輸送系統(tǒng)

三菱PLC程序直觀易懂，利于順序控制和過程控制，指令豐富，有專用的定位指令，適用于步進(jìn)控制。但其通信功能比較薄弱，需要數(shù)據(jù)采集的地方應(yīng)用比較少。

羅克韋爾PLC歐美應(yīng)用較多，價格偏貴，具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，性能穩(wěn)定。羅克韋爾擁有包括CPU、擴(kuò)展I/O、遠(yuǎn)程I/O、變頻器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、安全繼電器以及觸摸屏等完整的工控硬件。

歐姆龍PLC軟件復(fù)雜，不易于掌握，但其硬件精制、緊湊，易于安裝和調(diào)試。

綜上所述，《自動鉆帽口滾道》項目選用三菱PLC，型號為FX3U-48MT/ES，自帶24個輸入，24個輸出。

2）低壓斷路器

作為配電系統(tǒng)中常用的保護(hù)設(shè)備，低壓斷路器普遍應(yīng)用在配電系統(tǒng)中。低壓斷路器具有過電流、失壓、分?jǐn)嗟让摽蹤C(jī)構(gòu)以及良好的延時特性。其選型原則如下：

• （1）型號選擇。按不同用途分為配電用、照明用、保護(hù)電動機(jī)用、晶閘管保護(hù)用以及漏電保護(hù)用。
• （2）極數(shù)選擇。根據(jù)控制、保護(hù)對象的相數(shù)，選擇四極、三極、二極、單極低壓斷路器。
• （3）額定電壓應(yīng)大于或等于斷路器安裝處線路的最大工作電壓。
• （4）額定電流應(yīng)大于或等于線路的計算電流。

3）按鈕、指示燈

按鈕主要包括起動、停止、復(fù)位以及選擇開關(guān)等，而指示燈則包括帶燈按鈕里的指示燈和燈柱的紅、綠、藍(lán)、黃等狀態(tài)指示燈。包括各種顏色和類型的按鈕頭、觸點模塊和觸點基座。另外，一個觸點基座上可以同時安裝幾個常開或者常閉觸點模塊。

4）傳感器

主流品牌主要有羅克韋爾、SICK、歐姆龍、施耐德、基恩士等。傳感器主要有光電傳感器、接近開關(guān)、光纖傳感器以及行程開關(guān)。

對于選型，要考慮被測物到光電傳感器的距離、被測物運(yùn)動量程、被測物表面是否光滑、反光、吸光（如黑色海綿）、安裝的地方與需要檢測的檢測物的距離以及供電電壓、輸出方式、接線方式、IP等級、安裝方式、外形等因素。

5）中間繼電器

中間繼電器主要用于繼電保護(hù)與自動控制系統(tǒng)中。正確選用中間繼電器，一般遵循以下幾個原則：

• （1）使用的環(huán)境。根據(jù)不同的使用環(huán)境選取不同的中間繼電器，不僅可以減少發(fā)生事故的概率，還可以保證其使用功能有效發(fā)揮。
• （2）繼電器的負(fù)載特性和負(fù)載大小。一般繼電器的負(fù)載分為阻性、感性等幾種類型。負(fù)載大小即觸電接通的瞬間因為電阻過小而產(chǎn)生巨大的電流。
• （3）激勵電源的選擇。為了保證工作的穩(wěn)定性和操作的安全性，要考慮激勵電源的選用，有效抑制工作時產(chǎn)生的反向電壓。

6）開關(guān)電源

開關(guān)電源主要進(jìn)行升壓、降壓和交流電與直流電之間切換。在電氣控制系統(tǒng)中，控制電路主要使用直流24V。其輸入電壓220V和380V。實現(xiàn)對PLC、傳感器、中間繼電器、觸摸屏的供電。

主流品牌主要有AB、施耐德和西門子等。其選型主要根據(jù)所有負(fù)載功率的和的大小來選擇。

7）觸摸屏

主流品牌有歐姆龍、西門子、威綸（如MT8000系列）、AB（如2711P系列）等。威綸通是國內(nèi)比較主流的品牌，其應(yīng)用比較方便、型號眾多、編程簡單易于多種型號的PLC通信。

8）端子

端子是用于實現(xiàn)電氣連接的配件產(chǎn)品，主要廠家有Wago、菲尼克斯、德國威德米勒，國內(nèi)的上海友邦和成都瑞聯(lián)等。分為普通接線端子、帶熔斷器端子、接地端子和其他特殊使用端子，具有雙層和單層之分。端子帶有固定式橋接件，用于將各個端子短接起來。端子主要依據(jù)所接電線的橫截面積來選型，且端子的橫截面大小必須大于或者等于電線的橫截面積。

9）電線和電纜

電氣主回路布線，零線的顏色為淡藍(lán)色；接地線為黃綠雙色線；交流線火線為紅色。柜內(nèi)24V供電為白色，0V為藍(lán)色。布線講究橫平豎直，通過電流的大小來電線的型號。銅電線在30℃時的選型方法見表1。

表1 銅電線選型表

電纜分為直流電纜和交流電纜。主要用于將分布于車間的電動機(jī)、傳感器、開關(guān)按鈕的接線整合起來，并放置于鍍鋅線槽或者橋架內(nèi)。表示方法為x（根數(shù)）×y（每根電線的橫截面積，mm2）。

10）電柜

電柜內(nèi)的電氣件主要由電源、PLC、開關(guān)、繼電器、接線端子、變頻器等組成。適用于裝PLC的柜型，通常選用固定柜，且門板為整門的柜型（如KB柜），不宜選GGD柜、抽屜柜和固定分割柜。

另外，在環(huán)境比較惡劣的場合，電柜下方配有電柜基座，進(jìn)、出風(fēng)口可按照通風(fēng)過濾器和風(fēng)扇，防止現(xiàn)場的粉塵碎屑、水或者油漬等侵蝕電柜或者內(nèi)部的電氣元件和電纜。

11）安全繼電器

安全繼電器由數(shù)個繼電器與電路組合而成，它具有強(qiáng)制導(dǎo)向接點結(jié)構(gòu)，發(fā)生接點熔結(jié)現(xiàn)象時也能確保安全。

主要作用為：①在緊急停止解除時，機(jī)器不能出現(xiàn)突然再起動，而需要另外的復(fù)位按鈕來起動機(jī)器或者系統(tǒng)；②當(dāng)機(jī)器安全電路發(fā)生故障時，可以停止機(jī)器動力電源；③安全電路發(fā)生故障時，保證機(jī)器不能再起動。

總之，安全回路將急停的觸點、安全門、安全光柵等保護(hù)器件串聯(lián)起來，作為其保護(hù)輸入回路。一旦出現(xiàn)緊急事故，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號，使裝置安全停車，以阻止危險的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。故障解除或者確認(rèn)安全時，需按下復(fù)位按鈕來恢復(fù)系統(tǒng)動作。

對安全繼電器進(jìn)行選型，必須確認(rèn)機(jī)械的危險等級，只有確認(rèn)了這臺機(jī)械的危險等級之后，再根據(jù)EN954-1標(biāo)準(zhǔn)，以指定安全電路設(shè)計和實施的依據(jù)類別。

12）電磁開關(guān)

主流品牌為FESTO，電磁開關(guān)都是配套于氣缸一起購買的，一般由機(jī)械組成員購買，在此不再贅述。

13）變頻器

變頻器主要是控制三相電動機(jī)的起停以及運(yùn)行速度的改變，其主流品牌主要包括羅克韋爾、ABB、西門子、三菱、施耐德、LG等。國內(nèi)主要包括臺達(dá)、英威騰、森蘭等。

變頻器負(fù)載類型有三種，分別為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載。在選型時，應(yīng)以實際電動機(jī)電流值作為變頻器的選擇依據(jù)，以電動機(jī)的額定功率作為參考依據(jù)；變頻器到電動機(jī)的電纜的長度總和應(yīng)該在變頻器的容許范圍內(nèi)。

變頻器控制高速電動機(jī)，需用長電纜運(yùn)行或需要在高環(huán)境溫度、高開關(guān)頻率、高海拔高度等特殊情況下運(yùn)行，變頻器需放大一檔選擇；變頻器防護(hù)等級要與現(xiàn)場的情況相匹配，以防止現(xiàn)場的灰塵、水汽影響變頻器的長久運(yùn)行。

14）機(jī)器視覺系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人

PLC與機(jī)器人、機(jī)器視覺系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域里面應(yīng)用廣泛。視覺技術(shù)是計算機(jī)圖像處理在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其對速度要求比較高。可以分為視覺算法軟件，智能相機(jī)，機(jī)器視覺系統(tǒng)集成3類，在工業(yè)檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)應(yīng)用廣泛的品牌主要有美國的康耐視、日本的基恩士以及中國的大恒、凌云等。

我國工業(yè)機(jī)器人從20世紀(jì)70年代發(fā)展開始至今，由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個基本部分組成，其應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)志著企業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化的先進(jìn)水平。在包裝流水線具有廣泛的應(yīng)用，主要進(jìn)行分揀、碼垛等作業(yè)。圖2所示為完整的碼垛電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例圖

3 電氣原理圖的繪制

3.1 2D布局圖的細(xì)化

在進(jìn)行電氣原理圖繪制之前要做三部分工作。

• 1）機(jī)械布局。機(jī)械工程師在2D圖上標(biāo)出氣缸、電動機(jī)的安放位置、編號等，然后在旁邊列出氣缸和電動機(jī)的參數(shù)表。
• 2）電氣布局。電氣工程師2D圖上根據(jù)公司自己的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)出傳感器、急停、三色燈等的安放位置以及編號。
• 3）橋架布局。電氣工程師在2D圖上初步標(biāo)出橋架的走向。

現(xiàn)場2D布局圖見圖1。

3.2 原理圖繪制軟件簡介

電氣原理圖的繪制主要有兩種軟件，一個是Autocad，一個是EPLAN。Autocad軟件制定的電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)全面而且完整，圖紙可參考借鑒的范圍很大，但是卻無法滿足快速進(jìn)步且信息量更多的電氣設(shè)計。EPLAN是一款專業(yè)電氣繪圖和管理軟件，可面向圖形和對象進(jìn)行設(shè)計，它無論在項目的管理，還是在圖紙設(shè)計中的準(zhǔn)確性、靈活性、高效性方面都達(dá)到較高的水平。

對于一個完整的項目圖紙，一般包括多線原理圖、標(biāo)題頁、目錄、端子圖表、部件匯總表、連接列表甚至是控制柜內(nèi)3D布局圖。其中各種圖表可以通過報表的形式生成。

3.3 EPLAN電氣圖紙的設(shè)計流程

• 1）表格的創(chuàng)建。主要包括結(jié)構(gòu)標(biāo)識符總覽、部件列表、電纜圖表、端子排列圖、部件匯總表等，表格的創(chuàng)建為自動生成報表提供基礎(chǔ)。
• 2）制定項目結(jié)構(gòu)。主要包括制定高層代號、位置代號、用戶自定義及圖號等。
• 3）根據(jù)工藝和用戶要求繪制電氣原理圖，包括電氣件、端子和電纜定義線等的繪制。對于簡單的電氣件，直接插入符號即可。而對于比較復(fù)雜的電氣元件，既可以用黑盒來表示，也可以通過插入窗口宏來表示。
• 4）通過2D安裝板布局導(dǎo)航器繪制安裝板布置圖。
• 5）利用報表模板，自動生成項目報表。
• 6）將繪制的原理圖備份以及打印，也可將EPLAN圖紙轉(zhuǎn)換成PDF圖紙，便于分享和查閱。

圖3 電氣原理例圖

4 PLC程序設(shè)計

根據(jù)繪制的電氣原理圖和細(xì)化的2D布局圖，明確控制系統(tǒng)中輸入點的個數(shù)，如急停按鈕、起動停止按鈕、傳感器以及反饋信號等。明確輸出點的個數(shù)，如帶燈按鈕的指示燈、燈柱、電動機(jī)、氣缸等。

在程序設(shè)計過程中，要根據(jù)控制要求，構(gòu)建出系統(tǒng)的總框架，然后按照系統(tǒng)功能分塊，最后對功能細(xì)化和統(tǒng)一。系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，不僅便于程序的擴(kuò)展，也利于于工程師進(jìn)行調(diào)試和修改。離線編好程序后，下載至PLC硬件中，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試來逐步完善程序，防止因程序問題造成的安全問題。

5 電柜設(shè)計以及安裝接線

5.1 電柜設(shè)計

通過2D安裝板布局導(dǎo)航器繪制安裝板布置圖。把線槽、導(dǎo)軌、端子排、斷路器等電氣件放入電柜中，如圖4所示。

圖4 柜內(nèi)布局圖

5.2 安裝接線

安裝接線如圖5所示，分為以下步驟：

圖5 元件安裝和現(xiàn)場接線

• 1）確認(rèn)電氣件全部采購到位。
• 2）電工根據(jù)2D布局圖放置所有主要電氣件，先放置線槽、導(dǎo)軌，再放置主要電氣件在導(dǎo)軌上。
• 3）根據(jù)電氣原理圖現(xiàn)場合理布線，并且將電線置于線槽內(nèi)。
• 4）確認(rèn)電柜的擺放位置和方向、柜外鍍鋅線槽的擺放位置和走向。
• 5）根據(jù)電氣原理圖現(xiàn)場布線，將電動機(jī)和傳感器供電線路接好，并用匝線束好，套上套管，將線槽蓋蓋上。
• 6）打掃現(xiàn)場，進(jìn)行清理工作。

5.3 PLC程序調(diào)試

程序調(diào)試如圖6所示。具體步驟如下：

• 1）電腦與PLC通信。
• 2）下載PLC程序。
• 3）監(jiān)視模式下進(jìn)行軟元件測試。
• 4）檢驗每個傳感器是否正常工作。
• 5）按下啟動按鈕，在線模式下一邊修改程序，一邊更新PLC程序，直至整個系統(tǒng)符合系統(tǒng)要求，并且不會產(chǎn)生安全事故為止。
• 6）線管套牌貼標(biāo)。
• 7）調(diào)試完畢，通知客戶方進(jìn)行現(xiàn)場驗收。
• 8）驗收完畢，工作交接。

圖6 PLC程序調(diào)試

6 結(jié)論

本文針對汽車輪轂輸送線自動控制系統(tǒng)這一具體項目，首次對一般氣化公司的電氣化自動控制系統(tǒng)的設(shè)計流程進(jìn)行了全程總結(jié)，包括繪制電氣原理圖的工作要點、主要電氣件的選型、柜體布局和接線、現(xiàn)場接線以及現(xiàn)場調(diào)試工作等，對工業(yè)電氣自動化的設(shè)計實踐有實際指導(dǎo)作用。而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計方法、清醒的安全理念、配合默契的設(shè)計團(tuán)隊對于縮短施工周期、降低成本、維護(hù)工作人員安全意義重大。